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任务一：头歌平台编程实现WEB服务器
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任务二：TCP 与 QUIC 协议性能对比分析
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任务要求：
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1. 基于 TCP 的客户端-服务器程序实现，TCP服务器功能包括：监听指定端口；接受
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客户端连接；接收客户端发送的消息；向客户端返回响应（包含接收数据的长
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度）。客户端功能包括：连接到TCP服务器；向服务器发送指定消息；接收服务器
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响应并显示。
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2. 基于QUIC的客户端-服务器程序实现：使用quiche库实现QUIC服务器与客户端，功
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能与第一条类似。
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实验环境：
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操作系统：Windows或Linux；
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编程语言：C语言（其他语言也可，能实现实验功能即可）
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依赖库：socket库、quiche库
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实验步骤：
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1. 基于TCP的客户端-服务器程序实现
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（1）环境配置
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此处以Windows系统下使用VSCode运行c语言代码为例（不同的系统、运行软件、
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编程语言之间会有差异，自行决定选用工具，实现功能即可）。
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在 Windows 系统中使用 VSCode 运行 C 语言代码之前，需要先配置 C 语言开
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发环境。首先，在官网下载并安装 MinGW（下载链接：https://sourceforge.net/pr
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ojects/mingw/）。安装完成后，需将 MinGW 的 bin 目录添加到系统的环境变量
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Path 中，以确保能够在命令行中直接调用 gcc 等编译工具；
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添加完成之后使用Windows+R命令打开cmd窗口，运行命令gcc --version可验证是否成功安装。
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在完成.c文件编写后，必须编译并生成对应的.exe可执行文件，才能启动调试过
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程。
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以上图中的hello.c为例（其余代码的运行调试过程相同，修改相应命令即可），
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首先在终端运行命令gcc hello.c -o hello.exe生成对应的hello.exe文件，之后在对应
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的路径下运行./hello.exe即可得到输出。
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（2）代码书写
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① 服务端代码
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a. 引入相关头文件，链接 ws2_32.lib 库，对服务器监听的端口号和缓冲区大小
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进行宏定义
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定义需要用到的变量
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使用Windows套接字编程，首先需要初始化 Winsock 库。如果初始化失败，
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打印错误信息，返回 -1 值，结束程序运行
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使用socket()函数创建服务器套接字，如果创建失败，打印错误信息，清理
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Winsock 资源并返回 -1 表示程序异常结束。
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使用memset将 serverAddr 结构体清零，确保没有残留数据，设置地址族为
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IPv4（AF_INET），绑定到所有可用的网络接口（INADDR_ANY 表示接受任意IP 地址的连接），设置端口号，使用 htons() 函数确保端口号以网络字节序
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（大端）传输。然后通过bind()绑定套接字，如果绑定失败将打印错误信息，
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释放资源后结束程序运行。
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使用listen()命令开始监听客户端连接，输出服务器正在监听的端口号。
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等待客户端连接，输出客户端已连接的信息。
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从客户端接收数据，存入 buffer 中，输出接收到的消息，向客户端返回响
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应，包含接收到数据的长度。在通信完成后，关闭套接字，并清理资源。
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② 客户端代码
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a. 引入相关头文件，链接 ws2_32.lib 库，定义客户端连接的目标端口号，必须
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与服务器端口一致。
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b.
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定义相关变量。
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c.
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初始化Winsock库，确保在使用套接字之前初始化 Winsock。
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d.
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创建客户端套接字。设置地址族为
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IPv4（AF_INET），设置目标服务器的端
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口号，使用 htons() 转换为网络字节序。使用inet_addr() 将字符串格式的 IP
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地址转换为 in_addr 结构体中可使用的二进制格式。此处使用的是本地回环
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地址（localhost），意味着客户端将连接到本地运行的服务器。
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连接到服务器。
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和服务器进行通讯。
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send() 函数将消息从客户端发送到服务器。参数 sock 是套接字，message
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是要发送的消息，strlen(message) 是消息的长度，0 表示没有使用附加标志。
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recv() 函数从服务器接收数据，将其存储在 buffer 中。valread 存储实际接
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收到的字节数。如果接收失败，返回值为负数，程序将打印错误信息。否则，打
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印服务器的响应内容。
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完成数据交换后，关闭套接字并清理 Winsock 库。
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（3）实验结果示例
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编写好.c文件后，先在终端使用gcc命令生成.exe文件（每次对代码进行改动后都
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需要重新生成.exe文件）：gcc server.c -o server.exe -lws2_32，其中-lws2_32表示链接
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Winsock 库；生成并运行 server.exe 和 client.exe 后，可以看到以下实验结果。
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（4）总结
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本实验通过实现基于 TCP 协议的客户端-服务器通信，帮助理解网络编程的基本
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原理。要求完成服务器端和客户端的代码编写，并通过实际运行验证通信功能。
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2. 基于QUIC的客户端-服务器程序实现
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（1）实验环境
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本实验需要使用quiche库实现QUIC服务器与客户端，除了要配置好VSCode的C语言
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环境之外，还需要安装quiche库，确保它支持C语言的绑定。
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安装quiche库的步骤如下：
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① 安装 Rust 和 Cargo
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首先，需要安装Rust开发环境，Rust 包括了 cargo，这是构建和管理 Rust
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项目的工具。按照官网提供的下载地址和下载步骤下载Rust和cargo：https://rust-l
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ang.org/zh-CN/tools/install/
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② 克隆并构建quiche仓库
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a. 使用git工具进行克隆（这一步需要确保自己的主机安装了git工具，如果没有
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安装，可以通过https://git-scm.com/install/windows下载安装），使用Window
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s＋R快捷键打开cmd窗口运行克隆命令：
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git clone https://github.com/cloudflare/quiche
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cd quiche
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如果上述方法遇到问题，可以通过访问quiche库的github主页下载并解压其源
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代码，网址为https://github.com/cloudflare/quiche。
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b. 准备好quiche仓库后在cmd窗口运行命令cargo build --release --features ffi构建
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quiche的C语言接口（注意，这一步需要再下载好的quiche文件夹下完成）运
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行这条命令没有报错后，在quiche相应的文件夹下查找是否生成以下文件：
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Your local quiche Path\target\release\quiche.lib
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Your local quiche Path\target\release\quiche.dll.lib
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Your local quiche Path\target\release\libquiche.d
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Your local quiche Path\target\release\libquiche.rlib
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Your local quiche Path\quiche\include\quiche.h
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确认存在就说明已经配置好quiche库的C语言静态库。
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如果在构建quiche库的C语言接口时出现问题可以尝试检查以下问题：
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系统缺少 Visual Studio 或 Visual Studio Build Tools。访问https://visual
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studio.microsoft.com/zh-hans/visual-cpp-build-tools/下载并安装Microsoft C
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++生成工具，在安装过程中，确保选择了 C++ 构建工具（包括 Visual C
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++ 编译器和链接器）。安装完成之后，找到编译工具链link.exe所在地
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址（一般位于D:\Program Files (x86)\Visual Studio 2022\Build Tools\VC\Tool
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s\MSVC
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\14.44.35207\bin），将bin文件地址添加到系统环境变量中。
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未安装cmake工具。访问Cmake官网（https://cmake.org/download/）下
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载并安装适用于 Windows 的安装程序，选择 Windows x64 Installer。安装时，确保勾选了 "Add CMake to the system PATH" 选项，这样可以在
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命令行中直接使用 cmake。
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安装完成后可以在终端检查是否成功安装。
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未安装NASM编译器。访问官网（https://www.nasm.us/）下载并安装适
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合你系统的版本。安装后，将 NASM 的路径添加到 PATH 环境变量
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中。在cmd窗口检验是否安装成功。
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未安装clang编译器。可以参照这个博客下载并测试安装：
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https://blog.csdn.net/weixin_44565660/article/details/121758517
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Clang安装后，需要设置LIBCLANG_PATH环境变量，指向libclang.dll的位
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置。该文件通常位于Clang安装目录的bin文件夹下，可以在该目录下找到这个
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文件。检查该文件确实存在之后打开系统环境变量设置，在系统变量部分点
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击新建然后添加一个新的环境变量，如下图所示。
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之后验证通过运行命令echo %LIBCLANG_PATH%验证环境变量设置正确，
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正确的话会返回Clang安装目录的路径。
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③ 书写C语言代码熟悉quiche库的使用
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a. VSCode运行环境
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使用MinGW编译工具运行quiche库难度比较大，不推荐新手使用，因此，本
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课程选用MSVC环境（VS Build Tools）运行C项目。打开“x64 Native Tools Command
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Prompt for VS 2022”，在窗口中cd到你的C工程目录，然后输入code .启动VSCode。
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b. VSCode配置文件
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为了链接到quiche库，需要改写相应C工程目录下.vscode的配置文件，通过ar
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gs命令指定静态库的位置。
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c.
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最小验证程序
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新建verify_quiche.c，先把quiche工具链跑通：
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#include <stdio.h>
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#include <quiche.h>
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int main(void) {
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const char *v = quiche_version();
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printf("quiche version: %s\n", v ? v : "(null)");
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return 0;
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}
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使用cl命令生成相应的.exe文件：
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cl /nologo /Zi /EHsc /MD `
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/I E:\quiche\quiche-master\quiche\include verify_quiche.c `
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/Fe:verify_quiche.exe `
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/link /LIBPATH:E:\quiche\quiche-master\target\release `
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quiche.lib ws2_32.lib advapi32.lib `
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crypt32.lib userenv.lib ntdll.lib
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然后在VSCode终端运行该.exe文件，输出quiche版本号就说明quiche的c语言
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接口构建完成：
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（2）代码书写
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① 服务端代码
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a. 准备quiche配置
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b. 创建UDP socket并监听端口：用socket(AF_INET/AF_INET6, SOCK_DGRAM, ...)创
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建 UDP socket，bind() 到指定端口（比如 5555），设置成 non-blocking，这
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样循环不会卡死在 recvfrom() 上，此时 server 已经在 “UDP 层”听包了，但
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还没有 QUIC 连接对象
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c. 进行主循环（核心框架）
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主循环反复执行：收UDP包。recvfrom()收到一个 QUIC UDP 包，同时拿到客
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户端地址 peer_addr（用于后续回包）
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d. 解析包头：收到 UDP 包后，先用 quiche_header_info() 解析 QUIC 头部，
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拿到：version：QUIC 版本，dcid / scid：连接 ID（用于识别连接），token：
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实验里可以不深入理解
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e. 第一次收到合法包时，创建 QUIC 连接（accept）
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f. 把 UDP 包交给 quiche 处理（conn_recv）
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g. 如果连接已建立（established），就读 stream 并生成响应
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h. 把 quiche 产生的所有 UDP 包发出去（conn_send 循环）
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② 客户端代码
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a. 初始化 quiche_config
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b. 创建 QUIC 连接 quiche_connect
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c. 触发握手
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d. recvfrom 后喂给 quiche（quiche_conn_recv）
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e. 建立连接后（quiche_conn_is_established(conn)）发送一次消息
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f. 调用quiche_conn_readable(conn) 函数获取可读 stream，对每个 stream id
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调 quiche_conn_stream_recv，打印响应并设置 got_resp = true
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g. 每轮循环 flush_egress，否则ACK / handshake / stream data 都可能“卡在内存
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里没发出去”，表现为建立慢或收不到响应
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h. timeout 处理
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i.
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收到响应后关闭连接
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③ 运行代码
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首先需要在终端使用openssl命令生成证书，否则不能编译通过：
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生成证书之后使用cl命令得到相应的.exe文件，cl命令参考：
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cl /nologo /Zi /EHsc /MD `
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/I E:\quiche\quiche-master\quiche\include quic_server.c
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`
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/Fe:quic_server.exe
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`
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/link /LIBPATH:E:\quiche\quiche-master\target\release `
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quiche.lib ws2_32.lib advapi32.lib crypt32.lib userenv.lib ntdll.lib
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（3）实验结果示例
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运行生成的.exe文件得到结果如下：
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任务三：对比分析TCP与QUIC性能
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任务 3.1：连接建立时间对比
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任务要求：
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1. 测量 TCP 三次握手时间：使用 Wireshark 捕获 TCP 连接建立过程；记录从客户
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端发送 SYN 到收到服务器 ACK 的时间。
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2. 测量 QUIC 连接建立时间：使用 Wireshark 捕获 QUIC 连接建立过程；记录从客
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户端发送初始数据包到完成握手的时间。
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3. 对比分析：记录 3 次测试的平均值，比较两种协议的连接建立效率
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实验环境：
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安装好wireshark软件即可
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实验步骤：
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1. 打开wireshark主界面之后根据书写的代码选择正确的网卡，之后开始捕获；
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2. 根据代码端口或者协议类型设置wireshark的显示过滤器；
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3. 运行书写的代码模拟通信过程即可得到结果并进行分析。
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实验结果示例：
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任务 3.2：吞吐量测试
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任务要求：
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1. 修改 TCP 和 QUIC 程序，实现大文件传输功能（如传输 100MB 的随机文件）
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2. 在不同网络条件下测试吞吐量：
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正常网络（无丢包）
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使用 tc 模拟 5% 丢包率：sudo tc qdisc add dev eth0 root netem loss 5%
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使用 tc 模拟 100ms 延迟：sudo tc qdisc add dev eth0 root netem delay 100ms
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计算并对比两种协议的吞吐量（MB/s）
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实验环境：
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为了在Windows系统上实现第2点，需要准备一个网络故障模拟工具clumsy,当然，
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也可以在Windows系统下安装WSL2或者Linux虚拟机使用sudo tc命令运行相同的代码并
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测试吞吐量。
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本手册以clumsy为例进行教学，使用WSL或虚拟机工具请自行学习。
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首先，打开clumsy的下载网址（http://jagt.github.io/clumsy/download）根据系统
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版本下载对应的软件压缩包。解压后得到一个文件夹：
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右键clumsy.exe以管理员身份运行，其主界面如下：
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有疑问可以参考这篇博客：
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https://blog.csdn.net/hgftgfffg/article/details/147412888
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实验步骤：
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1. 实现大文件传输功能
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（1） TCP程序
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① 按照提示补全TCP程序即可
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② 编译与运行
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gcc -O2 tcp_server.c -o tcp_server.exe -lws2_32
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gcc -O2 tcp_client.c -o tcp_client.exe -lws2_32
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（2） QUIC程序
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① 按照提示补全QUIC程序即可
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② 编译与运行
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依旧参照之前的格式使用cl命令进行编译，得到可运行文件后运行观察结
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果。
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2. 在不同网络条件下测试吞吐量
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使用clumsy模拟 5% 丢包率：首先以管理员身份打开clumsy.exe，选择Lag=100m
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s，点击开始，然后再次运行程序，观察实验结果。
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使用clumsy模拟 100ms 延迟：首先以管理员身份打开clumsy.exe，选择Lag=100m
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s，点击开始，然后再次运行程序，观察实验结果。
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3. 实验结果示例：
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此处仅提供了正常网络环境下tcp传输大文件的结果示例，并且是以本地loopback
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进行实验作为例子，建议在自己做实验的时候可以改用本级IP尝试实现实验，这样结
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果会更加接近真实网络，且clumsy对真实网卡路径更加稳定。
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任务 3.3：多路复用性能测试
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任务要求：
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设计多流传输测试：同时建立 5 个 TCP 连接传输数据，在单个 QUIC 连接上建
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立 5 个流传输数据，测量并对比两种方式的总传输时间和资源占用，分析 QUIC 多
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路复用如何解决 TCP 的队头阻塞问题。
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任务 3.4：网络异常恢复测试
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任务要求：
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模拟网络中断后恢复的场景：
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建立连接并开始传输数据
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使用tc qdisc add dev eth0 root netem loss 100%模拟网络中断
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30 秒后使用tc qdisc del dev eth0 root恢复网络
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对比两种协议的恢复能力和数据完整性
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测试 QUIC 的连接迁移能力（服务器 IP 或端口变化后）
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